請(qǐng)想一個(gè)問(wèn)題,內(nèi)核本身也是程序要在內(nèi)存運(yùn)行,用戶程序一樣也要在內(nèi)存運(yùn)行,大家都在一個(gè)窩里吃飯,你憑什么就管我了.好像內(nèi)核程序是主子,用戶程序是奴才似的.

哎!其實(shí)用戶進(jìn)程就是內(nèi)核的一個(gè)個(gè)奴才,被捏的死死的.按不住奴才那這主子就不合格,就不是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng).請(qǐng)想想實(shí)際內(nèi)存就這么點(diǎn)大,如何滿足眾多用戶進(jìn)程的需求?內(nèi)核空間和用戶空間如何隔離? 如何防止訪問(wèn)亂串? 如何分配/釋放,防止碎片化?空間不夠了又如何置換到硬盤(pán)?想想頭都大了。內(nèi)核這當(dāng)家的主子真是不容易,這些都是他要解決的問(wèn)題, 但欲戴其冠,必承其重.

先說(shuō)如果沒(méi)有內(nèi)存管理會(huì)怎樣?

那就是個(gè)奴才們能把主子給活活踩死,想想主奴不分,吃喝拉撒睡都在一起,稱(chēng)兄道弟的想干啥?沒(méi)規(guī)矩不成方圓嘛，這事業(yè)肯定搞不大，單片機(jī)時(shí)代就是這種情況.裸機(jī)編程,指針可以隨便亂飛,數(shù)據(jù)可以隨意覆蓋,沒(méi)有劃定邊界,沒(méi)有明確職責(zé),沒(méi)有特權(quán)指令,沒(méi)有地址保護(hù),你還想像java開(kāi)發(fā)一樣,只管new內(nèi)存,不去釋放,應(yīng)用可以隨便崩但系統(tǒng)跑的妥妥的？想的美!直接系統(tǒng)死機(jī),甚至開(kāi)機(jī)都開(kāi)不了,主板直接報(bào)廢了. 所以不能運(yùn)行很復(fù)雜的程序,盡量可控,而且更是不可能支持應(yīng)用的動(dòng)態(tài)加載運(yùn)行.隊(duì)伍大了就不好帶了,方法得換,游擊隊(duì)的做法不適合規(guī)模作戰(zhàn)，內(nèi)存就需要管理了，而且是 5A級(jí)的嚴(yán)格管理。

內(nèi)存管理在管什么?

簡(jiǎn)單說(shuō)就是給主子賦能,擁有超級(jí)權(quán)利,為什么就他有? 因?yàn)樗葋?lái),掌握了先機(jī).它定好了游戲規(guī)則,你們來(lái)玩.有哪些游戲規(guī)則?

第一: 主奴有別,主子即是裁判又是運(yùn)動(dòng)員,主子有主子地方,奴才們有奴才們待的地方,主子可以在你的空間走來(lái)走去,但你只能在主人劃定的區(qū)域活動(dòng).奴才把自己玩崩了也只是奴才狗屁了,但主人和其他人還會(huì)是好好的.主子有所有特權(quán)，比如某個(gè)奴才太囂張了，就直接拖到午門(mén)問(wèn)斬。

第二:奴奴有分,奴才們基本都是平等的，雖有高級(jí)和低級(jí)奴才區(qū)分，但本質(zhì)都是奴才。奴才之間是不能隨意勾連,登門(mén)問(wèn)客的，防止一塊搞政變. 他們都有屬于自己的活動(dòng)空間,而且活動(dòng)空間還巨大巨大，大到奴才們覺(jué)得整個(gè)紫荊城都是他們家的，給你這么大空間你干活才有動(dòng)力，奴才們是鉚足了勁一個(gè)個(gè)盡情的表演各種劇本，有玩電子商務(wù)的，有玩游戲的，有搞直播的等等。。。不愧是紫荊城的主人很有一套，明明只有一個(gè)紫禁城，硬被他整出了N個(gè)紫荊城的感覺(jué)。而且這套駕奴本領(lǐng)還取了個(gè)很好聽(tīng)的名字叫：虛擬內(nèi)存。

看圖：

這是整個(gè)紫荊城的全貌圖，里面的內(nèi)核虛擬空間是主人專(zhuān)用的，里面放的是主人的資料，數(shù)據(jù)，奴才永遠(yuǎn)進(jìn)不去，kernel heap也是給主人專(zhuān)用的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間，管理奴才和日常運(yùn)作開(kāi)銷(xiāo)很多時(shí)候需要?jiǎng)討B(tài)申請(qǐng)內(nèi)存，這個(gè)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)提供給主人使用的。而所有奴才的空間都在叫用戶空間的那一塊。你沒(méi)看錯(cuò)，是所有奴才的都在那。當(dāng)然實(shí)際情況是用戶空間比圖中的大的多，因?yàn)橹魅似鋵?shí)用不了多少空間，大部分是留給奴才們干活用了，因?yàn)槠南拗乒P者把用戶空間壓縮了下。再來(lái)看看奴才空間是啥樣的。看圖

這張圖是第一張圖的局部用戶空間放大圖。里面放的是奴才的私人用品，數(shù)據(jù)，task運(yùn)行棧區(qū),動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的堆區(qū)，堆區(qū)自下而上，棧區(qū)自上而下中間由映射區(qū)(L1,L2表)隔開(kāi)。這么多奴才在里面不擠嗎？答案是：真不擠 。主人手眼通天，因?yàn)橛昧艘粋€(gè)好幫手解決了這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)幫手名叫MMU（李大總管）

MMU是干什么事的？

看下某度對(duì)MMU定義：它是一種負(fù)責(zé)處理中央處理器（CPU）的內(nèi)存訪問(wèn)請(qǐng)求的計(jì)算機(jī)硬件。它的功能包括虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換（即虛擬內(nèi)存管理）、內(nèi)存保護(hù)、中央處理器高速緩存的控制。通過(guò)它的一番操作，把物理空間成倍成倍的放大，他們之間的映射關(guān)系存放在頁(yè)面中。

好像看懂又好像沒(méi)看懂是吧，到底是干啥的？其實(shí)就是個(gè)地址映射登記中心。記住這兩個(gè)字：映射 看下圖

物理內(nèi)存可以理解為真實(shí)世界的紫禁城，虛擬內(nèi)存就是被MMU虛擬出來(lái)的比物理頁(yè)面大的多的空間。舉例說(shuō)明大概說(shuō)明下過(guò)程：

有A(廚師)，B(文藝青年)兩個(gè)奴才來(lái)到紫禁城，每個(gè)人都很有抱負(fù)，主子規(guī)定要先跑去登記處登記活動(dòng)范圍，領(lǐng)回來(lái)一張表叫L1頁(yè)表，上面說(shuō)了大半個(gè)紫禁城你可以跑動(dòng)，都是你的，L1頁(yè)表記錄你每個(gè)房間的編號(hào)。其實(shí)奴才們的表都一樣，能跑的范圍也都一樣。 李大總管也有一張私人表叫TLB表,具體玩的呢,看個(gè)例子就明白了.

舉例說(shuō)明

TLB表(李總管的私人表)

李大總管的私人表叫TLB（translation lookaside buffer）可翻譯為“地址轉(zhuǎn)換后援緩沖器”，也可簡(jiǎn)稱(chēng)為“快表”。從TLB表可以看出,有三個(gè)真實(shí)的房間, 7,8,9,目前是分配給了A,B,C使用.

奴才們的L1頁(yè)表(當(dāng)然可以有無(wú)數(shù)的奴才表,每個(gè)奴才人手一張)

第一: A要去1號(hào)間廚房拿菜,提交表給李總管,李總管拿表和自己的表對(duì)照,發(fā)現(xiàn)1號(hào)虛擬房間對(duì)應(yīng)的是7號(hào)真實(shí)房間,7號(hào)剛好分配給了A用,蓋章同意.A拿到了自己菜.

此時(shí)李總管的表沒(méi)變化. 第二: B要去2號(hào)間練武術(shù),提交表給李總管,李總管拿表和自己的表對(duì)照,發(fā)現(xiàn)1號(hào)虛擬房間對(duì)應(yīng)的是7號(hào)真實(shí)房間,7號(hào)是A在用,不屬于B,里面放的都還是菜呢,咋辦?簡(jiǎn)單,把菜挪出去,把B奴才的武術(shù)設(shè)備裝進(jìn)來(lái),更改自己的表變成了

此時(shí)李總管的表變了,三個(gè)真實(shí)房間B用了兩個(gè)了. 第三: A要去3號(hào)間睡覺(jué)了,又提交表給李總管,李總管拿表和自己的表對(duì)照,發(fā)現(xiàn)3號(hào)虛擬房間對(duì)應(yīng)的是9號(hào)真實(shí)房間,9號(hào)剛好分配給了B用了,此時(shí)里面放的還是美術(shù)用品呢.咋辦?簡(jiǎn)單,挪出去,把A奴才的睡覺(jué)設(shè)備裝進(jìn)來(lái),再更改自己的表變成了

此時(shí)李總管的表變了,9號(hào)給了A了,而8號(hào)一直在C手里,因?yàn)檫^(guò)程中沒(méi)人用到了8號(hào)房.但繼續(xù)跑下去肯定會(huì)易主.

明白了嗎? 這就是映射的核心思想!對(duì)A,B來(lái)說(shuō),它們只認(rèn) 1,2,3房間,記得自己的房間是干什么用的就行,完全不必知道背后的7,8,9是誰(shuí)在用, 用房間之前提交表單就行了,后面的不用管. 而且各自1,2,3可以重新映射到不一樣的房間, A,B映射是完全獨(dú)立的,看清沒(méi)有它們的123對(duì)應(yīng)的可不都是789的順序.

上面的1,2,3就叫虛擬地址,也叫線性地址. 而789就是物理地址. 如此只有三個(gè)房間都可以給很多很多的奴才使用,讓他們覺(jué)得這三個(gè)房間都是自己的. 完美!!! 當(dāng)然AB也可以有自己虛擬地址789,例如

編輯：hfy